KR100812189B1 - 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버에 관한 것으로, 적어도 하나 이상의 캔틸레버 및 상기 캔틸레버상에 형성되는 것으로 유입구와 유출구를 구비한 마이크로채널을 포함하고, 상기 마이크로채널내로 유체를 유입하여 상기 캔틸레버의 기계적 특성을 제어하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 기 제작된 캔틸레버를 그대로 사용하고 마이크로채널로 유체를 주입하여 유체의 농도 결정에 따라 캔틸레버의 특성을 제어할 수 있는 장점이 있다.

캔틸레버, 나노유체, 공진주파수, 마이크로채널, 어레이

Description

나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버{Cantilever controlling by using nanofluid}

도 1은 일반적으로 어레이 캔틸레버를 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 캔틸레버를 나타낸 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 캔틸레버를 나타낸 상면도,

도 4는 도 3의 A-A'를 나타낸 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 캔틸레버의 마이크로채널로 유체가 유입된 상태를 나타낸 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예로 어레이 캔틸레버를 나타낸 사시도,

도 7은 도 6의 어레이 캔틸레버를 나타낸 상면도,

도 8은 각각 다른 선폭의 마이크로채널이 형성된 어레이 캔틸레버를 나타낸 상면도,

도 9는 본 발명에 따른 캔틸레버의 마이크로채널 내부로 자성유체 주입 시 자장에 의해 제어되는 캔틸레버를 나타낸 개략적인 사시도.

<도면의 주요 부호에 대한 부호의 설명>

10 : 캔틸레버

11 : 탐침

20 : 마이크로채널

21 : 유입구

22 : 유출구

30 : 유체

40 : 마그네틱

본 발명은 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 나노유체를 이용하여 캔틸레버의 기계적 특성을 제어하는 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버에 관한 것이다.

캔틸레버(cantilever)는 일반적으로 일측이 고정되고 타측은 고정되지 않는 구조를 가지는 장치로써, 고정되지 않은 타측이 외부힘에 의해 휘어지는 특성을 이용하여 산업분야에 다양하게 이용되고 있다.

현재 scanning probe microscope(SPM), dip-pen lithography, date storage, biosensor 분야에 응용되고 있는 캔틸레버(cantilever)는 제작 전 응용분야에 따라 탄성계수, Stiffness, 공진주파수를 미리 설계하여 응용분야에 적합한 기계적 특성을 제어해야 한다.

도 1은 일반적인 캔틸레버를 구조를 나타낸 것으로, 캔틸레버(100)의 일측으로는 수 나노미터(nm)크기의 탐침(200)이 형성되어 있어 수 나노미터(nm)의 해상도로 시편의 표면형상, 전기, 자기적 성질 등을 측정할 수 있다.

예를 들어 원자력 현미경은 시편을 따라 캔틸레버가 움직일 때 캔틸레버의 끝단에 형성되어 있는 탐침과 시편사이의 인력 또는 척력에 의해 캔틸레버가 휘게 되고, 이 휘는 정도를 레이저 센싱 시스템 등에 의해 감지하여 시편의 표면형상 등을 측정할 수 있는 것이다.

일반적인 캔틸레버의 제작공정은 MEMS(Micro Electro Mechanical System)공정을 이용하여 동일한 수치와 두께로 제작되게 된다. 만약 서로 특성의 캔틸레버를 제작하기 위해서는 길이(L)나 폭(w)을 바꾸거나, 두께(t)를 바꾸어야 한다. 반도체 공정에 있어 길이(L)나 폭(w)은 포토마스크의 디자인을 통해 쉽게 바꿀 수 있고, 두께(t)의 경우 항상 동일 평면과 동일 시간에서 증착 또는 에칭을 조절하게 된다.

동일 평면상에서 서로 다른 두께를 가지는 캔틸레버를 제작하기 위해서는 원하는 두께의 수만큼 증착시간 또는 에칭 시간을 변화시켜야 되며, 이를 위해 반복적인 사진식각 공정, 증착 공정, 에칭 공정을 수행하여야 한다.

따라서, 캔틸레버가 적용되는 각 분야의 특성에 따라 캔틸레버의 기계적 특성을 설정하기 위해서는 상술한 바와 같은 추가적인 공정으로 인해 제작 시간과 공정비용이 늘어나게 되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 캔틸레버의 응용분야에 따른 특성을 설정하기 위해 캔틸레버의 폭, 두께, 강도 등과 같은 구조특성 자체를 변경하지 않고 유체를 이용하여 캔틸레버의 기계적 특성을 제어하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 적어도 하나 이상의 캔틸레버 및 상기 캔틸레버상에 형성되는 것으로 유입구와 유출구를 구비한 마이크로채널을 포함하고, 상기 마이크로채널내로 유체를 유입하여 상기 캔틸레버의 기계적 특성을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 한 특징으로는, 상기 마이크로채널은, 상기 캔틸레버의 길이방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 다른 특징으로는, 상기 마이크로채널은, 상기 캔틸레버가 복수개의 경우 상기 유입구를 통해 상기 유체가 유입되어 복수개의 상기 캔틸레버에 형성된 상기 마이크로채널을 모두 통과한 후 상기 유출구로 유출되도록 연결된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 유체는, 나노입자가 함유된 나노유체인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 유체는, 자성유체인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 복수개의 상기 캔틸레버 각각에 형성된 상기 마이크로채널은 각각 다른 선폭을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 캔틸레버는, 일측으로 탐침이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 바람직한 또 다른 특징으로는, 상기 캔틸레버는, 상기 마이크로채널로 자성유체 주입 시 마그네틱에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 캔틸레버를 나타낸 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 캔틸레버를 나타낸 상면도, 도 4는 도 3의 A-A'를 나타낸 단면도, 도 5는 본 발명에 따른 캔틸레버의 마이크로채널로 유체가 유입된 상태를 나타낸 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예로 어레이 캔틸레버를 나타낸 사시도, 도 7은 도 6의 어레이 캔틸레버를 나타낸 상면도, 도 8은 각각 다른 선폭의 마이크로채널이 형성된 어레이 캔틸레버를 나타낸 상면도, 도 9는 본 발명에 따른 캔틸레버의 마이크로채널 내부로 자성유체 주입 시 자장에 의해 제어되는 캔틸레버를 나타낸 개략적인 사시도이다.

본 발명에 따른 나노유체에 의해 기계적 특성이 제어되는 캔틸레버는, 적어도 하나 이상을 갖는 캔틸레버(10)와 상기 캔틸레버(10)에 형성되는 마이크로채널(20) 및 상기 마이크로채널(20)내에 유체(Fluid ; 30)를 유입시켜 기 제작된 동 일한 길이, 폭, 두께로 가지는 캔틸레버를 그대로 사용하여 상기 캔틸레버(10)의 기계적 특성을 제어하는 것을 특징으로 한다.

캔틸레버(cantilever ; 10)는 도 2에 도시된 바와 같이 일측은 고정되고 타측은 고정되지 않은 구조를 가지는 장치로써, 미세한 힘에서도 아래나 위로 쉽게 휘어지도록 만들어져 있으며, 끝단으로는 원자 몇 개 정도의 크기를 갖는 뾰족한 바늘의 상기 탐침(11)이 형성되어 있다. 이러한 상기 캔틸레버(10)는 각 산업분야에 통상적으로 사용되는 장치로써 상세한 설명은 생략하기로 한다.

마이크로채널(microchannel ; 20)은 상기 캔틸레버(10) 상에 형성되는 것으로, 상기 마이크로채널(20)내로 유체를 주입하여 상기 캔틸레버(10)의 기계적 특성을 제어할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 상기 마이크로채널(20)은 상기 캔틸레버(10)에 길이방향을 따라 2개의 유로가 형성되어 있고 2개의 유로 일측은 서로 연결되어 있다. 따라서 1개의 유로가 탐침(11)의 하부까지 형성되고 여기서 다른 1개의 유로와 연결되어 다시 빠져나오는 구조로 형성되어 있는 것이다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 마이크로채널(20)은 상기 캔틸레버(10)의 내측에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 1개의 유로 타측은 캔틸레버(10) 외측에 형성된 유입구(21)에 연결되어 유체(30)가 주입받고 다른 1개의 유로 타측은 유출구(22)와 연결되어 상기 마이크로채널(20)에 주입된 유체(30)가 빠져나오게 된다.

따라서, 상기 유입구(21)를 통해 상기 유체(30)가 유입되면 상기 마이크로채널(20) 내부로 유체가 가득 채워지고 채워진 유체를 유출시키고자 할 때는 상기 유출구(22)를 통해 이루어진다.

응용분야에 따라 상기 캔틸레버(10)를 제어하기 위해 특성에 맞는 일정농도의 상기 유체(30)를 주입하여 캔틸레버를 제어하고 다른 특성을 적용하고자 할 때에는 다시 그에 맞는 일정농도의 유체(30)를 주입함으로써 이전에 존재하던 유체는 상기 유출구(22)를 통해 빠지게 되고 새로운 유체가 주입되게 되는 것이다.

상기 마이크로채널(20)로 주입되는 상기 유체(30)는 나노입자(nanoparticle)가 함유된 나노유체로써, 나노 파티클의 농도를 변화시키거나 캔틸레버의 형성된 상기 마이크로채널(20)의 선폭을 상기 캔틸레버(10) 제작 시 조절하게 되면 캔틸레버의 질량(m*), 탄성계수(k), Sfiffness(K), 공진주파수(

)가 바뀌므로 기계적 특성의 제어가 가능하다.

다음의 수학식을 통하여 유체의 농도 결정에 따라 의해 캔틸레버를 제어할 수 있다.

여기서, 캔틸레버의 공진주파수는 다음의 수학식 1에 의해 유도된다.

영률은 다음의 수학식 2에 의해 유도된다.

탄성계수는 다음의 수학식 3에 의해 유도된다.

여기서, t : thickness, w : width, L : length, σ : stress,

: strain 이다.

강성도(Stiffness)는 다음의 수학식 4에 의해 유도된다.

여기서, P = applied force,

: diffraction 이다.

이상, 위에서 설명한 유도식을 통해 유체(30)의 농도를 이용하여 상기 캔틸레버(10)를 제어할 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 다른 실시예로 어레이 캔틸레버를 나타내 것이다.

도시된 바와 같이 어레이(array) 캔틸레버의 경우는 각 캔틸레버(10)마다 각각 마이크로채널(20)이 형성되고 있고, 상기 마이크로채널(20)은 서로 연결되어 유 입구(Inlet ; 21)를 통하여 유체(30)가 유입되면 화살표 방향으로 각 캔틸레버(10)에 형성된 상기 마이크로채널(20)을 모두 거쳐 유출구(Outlet ; 22)로 빠지게 된다.

도 8은 각각 다른 선폭을 가지는 마이크로채널이 형성된 어레이 캔틸레버를 나타낸 상면도로써, 도시된 바와 같이 어레이 캔틸레버(10)의 경우 각각의 캔틸레버(10)에 형성된 상기 마이크로채널(20)의 선폭(W1, W2, W3, W4)을 각각 달리하고 단일 농도의 유체(30)를 주입하게 되면 각각의 상기 캔틸레버(10)의 특성을 달리 제어할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 캔틸레버의 마이크로채널 내부로 자성유체 주입 시 자장에 의해 제어되는 캔틸레버를 나타낸 사시도이다.

도시된 바와 같이 캔틸레버(10)에 형성된 상기 마이크로채널(20)로 자성유체(액체자석 ; Ferrofluid)를 주입하고 외부에서 마그네틱(40)을 이용하여 자장을 가하면 상기 마이크로채널(20)내에 유입된 자성유체의 마그네틱 파티클(particle)이 정렬되어 뭉치는 현상이 발생한다. 이를 통해 캔틸레버의 특성을 제어할 수 있다.

상기 액체자석은 강자성을 띠는 자성나노입자가 함유된 것으로, 일반적으로 입자의 크기는 약 10nm이다. 그 종류로는 산화철(Fe203, Fe304), Ferrite(Fe304에서 Fe 하나가 다른 자성관련 원자로 바뀐 형태로 예를 들어 CoFe204, MnFe204), 합금(ex : FePt, CoPt) 등이 있다.

이와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 동일한 제작공정을 통하여 동일한 길이, 폭, 두께로 기 제작된 캔틸레버를 그대로 사용하고, 캔틸레버상에 형성된 마이크로채널로 유체를 주입하여 캔틸레버의 기계적 특성을 제어함으로써, 캔틸레버의 적용 분야별로 설계 및 제작이 불필요하여 높은 효율성을 가지는 장점이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다.

오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 캔틸레버상에 형성된 마이크로채널로 나노유체를 유입시켜 캔틸레버의 기계적 특성을 제어할 수 있기 때문에 캔틸레버의 기계적 설계를 변경하지 않아 추가공정, 제작 시간 및 공정비용을 크게 절감시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 적어도 하나 이상의 캔틸레버; 및

   상기 캔틸레버상에 형성되는 것으로 유입구와 유출구를 구비한 마이크로채널;을 포함하고,

   상기 마이크로채널내로 유체를 유입하여 상기 캔틸레버의 기계적 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버.
2. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로채널은,

   상기 캔틸레버의 길이방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버.
3. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로채널은,

   상기 캔틸레버가 복수개의 경우 상기 유입구를 통해 상기 유체가 유입되어 복수개의 상기 캔틸레버에 형성된 상기 마이크로채널을 모두 통과한 후 상기 유출구로 유출되도록 연결된 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버.
4. 제 1항에 있어서, 상기 유체는,

   나노입자가 함유된 나노유체인 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용해 제어 되는 캔틸레버.
5. 제 1항에 있어서, 상기 유체는,

   자성유체인 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버.
6. 제 1항에 있어서,

   복수개의 상기 캔틸레버 각각에 형성된 상기 마이크로채널은 각각 다른 선폭을 가지는 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버.
7. 제 1항에 있어서, 상기 캔틸레버는,

   일측으로 탐침이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버.
8. 제 1항에 있어서, 상기 캔틸레버는,

   상기 마이크로채널로 자성유체 주입 시 마그네틱에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 나노유체를 이용해 제어되는 캔틸레버.

Images